которые ведут к возникновению из них метеоритов. Небесные камни – не случайно отколовшиеся куски астероидов: за сложной организацией и классификацией семейств метеоритов должна стоять какая-то система. Почти все метеориты покрыты обугленной черной корой плавления, но когда мы разрезаем их алмазными пилами и выявляем геологические характеристики, они оказываются так же разнообразны и удивительны, как и у множества каменных пород, из которых состоит земная кора.
Теперь мы знаем, что три главные разновидности метеоритов можно более подробно разделить по их геологическим характеристикам еще на более чем сорок различных групп. Каменные метеориты делятся по меньшей мере на тридцать групп, железокаменные – как минимум на шесть, железные – не меньше чем на четырнадцать. У некоторых каменных метеоритов на срезе видна мозаика вулканических кристаллов, образовавшихся из остывающей магмы; другие так богаты водой и сложными углеродосодержащими молекулами, что сразу распознаются по острому запаху асфальта. Некоторые железокаменные метеориты состоят из кристаллов цвета бутылочного стекла и размером с пенни. Это оливин, или перидот, полудрагоценный камень. Кристаллы оливина оправлены в каркас из металлического железа. Некоторые железные метеориты составлены из крохотных иголочек металлических минералов; другие – из металла в форме длинных переплетающихся пальцеобразных выступов. Типы каменных структур, родившихся в поясе астероидов, удивительно многообразны.
Невероятное разнообразие различных групп метеоритов сразу же заставляет усомниться в справедливости гипотезы «разрушенной планеты»: как могли такие разные типы метеоритов произойти из фрагментов одного и того же тела? В ответ можно было бы указать на разнообразие земных пород: в конце концов, разве не существуют здесь тысячи тысяч разновидностей камня, созданных геологическими силами, непрерывно формирующими облик нашей планеты? Ответ на вопрос о происхождении метеоритов находится внутри них самих. Но, чтобы прочесть его, нам придется воспользоваться одним из самых мощных инструментов космохимии: анализом изотопов.
Каждый атом – химический строительный кирпичик вещества – несет в себе плотное ядро, состоящее из двух видов субатомных частиц: протонов и нейтронов. Химическая природа атома определяется числом протонов, которое может варьировать от одного (водород, элемент номер один) до девяноста двух (уран, элемент номер девяносто два) в рамках периодической таблицы элементов. Элемент определяют именно протоны: например, неон всегда имеет десять протонов, железо – всегда двадцать шесть, платина – семьдесят восемь и так далее. Но номера периодической таблицы – это еще не все. Количество нейтронов в атомном ядре тоже может быть разным.
В отличие от протонов, несущих положительный электрический заряд, заряд нейтронов нулевой – поэтому они не оказывают заметного влияния на химическое поведение атома. Однако у нейтрона примерно такая же масса, как и у протона, и поэтому, если количество нейтронов в атомном ядре меняется, масса атома тоже изменится. Атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов в своих ядрах называются изотопами, от древнегреческих корней ἴσος(изо-), который значит «тот же», и τόπος (-топос), означающего «место». Изотопы занимают «одно и то же место» в периодической таблице, так как они представляют собой атомы одного и того же элемента, отличающиеся только массой.
Элемент номер восемь
Неожиданный, быть может, факт: кислород, источник жизни, второй по обилию газ в атмосфере Земли, в большинстве камней является первым по обилию элементом. Это один из основных компонентов кристаллических структур, из которых состоит огромное количество породообразующих минералов. Поэтому в камнях у нас под ногами больше кислорода, чем в воздухе, которым мы дышим. Он в больших количествах присутствует и в метеоритах. Ему присуще уникальное сочетание важных химических свойств. Несомненно, кислород – один из важнейших для космохимии элементов, заслуживающий доверия и хорошо осведомленный рассказчик.
Кислород представлен в виде трех различных изотопов: кислород-16, кислород-17 и кислород-18; для краткости мы будем обозначать их 16O, 17O и 18O соответственно. По определению у каждого изотопа кислорода в ядре спрятано восемь протонов (кислород – элемент номер восемь в Периодической таблице), а вот число нейтронов различно: восемь у 16O, девять у 17O и десять у 18O. Все эти атомы – атомы кислорода, химически они идентичны, но, как всегда бывает с изотопами, имеют разную массу: 18O – самый тяжелый, а 16O – самый легкий из трех.
Самый распространенный изотоп кислорода – конечно, 16O. Если бы кто-нибудь сел и скрупулезно отсчитал 10 000 отдельных атомов кислорода, содержащихся в молекулах морской воды (H2O) из ведерка, все эти атомы, кроме примерно двадцати четырех, относились бы к виду 16O. Из этих двадцати четырех двадцать относились бы к 18O, и только последние четыре были бы атомами самого редкого из трех изотопов кислорода: 17O.
Относительные обилия трех изотопов кислорода немного отличаются от одного места на Земле к другому – на очень незначительные, но все же вполне измеримые величины. Например, когда вода нагревается, – скажем, если перед вами чашка горячего чая, – легкие изотопы испаряются из нее быстрее, чем тяжелые. Получается, что водяной пар, поднимающийся с поверхности чая, когда тот испаряется, – а вода, H2O, как мы знаем, содержит кислород – будет немного обогащен изотопами 16O и (в меньшей степени) 17O по сравнению с водой, оставшейся в чашке. Более легкий 16O испаряется скорее, чем 17O, а 17O, в свою очередь, немного быстрее, чем 18O.
По сути, испарение 17O по сравнению с 16O происходит вдвое быстрее, чем испарение 18O по сравнению с 160, так как разность масс между 17O и 16O вдвое меньше разности масс между 18O и 16O.[2]
Схематический график изотопов кислорода, обычно используемый в космохимии. Смеси 16O, 17O и 18O во всех субстанциях на Земле – от океанской воды до воздуха и камня – укладываются на линию земного фракционирования. Субстанции с астероидов, комет и других планет на эту прямую не укладываются.
Это означает, что разность относительного изменения количества 17O по отношению к 16O в водяном паре будет вдвое меньше, чем количества 18O по отношению к 16O. Если бы мы измерили относительную разность отношений 17O к 16O и 18O к 16O во многих веществах (в воздухе, воде, камне или тканях человеческого тела) для многих различных мест на Земле и затем нанесли эти значения на график в соответствующих осях, все они попали бы на одну прямую линию с наклоном Уч. Мы называем эту прямую «линией земного фракционирования». Все, что есть на Земле, ложится на эту прямую.
Как бы ни перемешивался кислород между разными точками на нашей планете, какую бы форму он ни принимал – будь это водяной пар, поднимающийся над
